第3章逻辑门电路

1、2022-5-311 2022-5-3123.1 概述概述门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。与基本逻辑关系相对应。 ：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。与门、或门、与非门、或非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系：正逻辑：正逻辑：高电位对应高电位对应“1”；低电位对应；低电位对应“0”。混合逻辑：混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用一般采用正逻辑正逻辑负逻辑：负逻辑：高电位对

2、应高电位对应“0”；低电位对应；低电位对应“1”。2022-5-313100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。只要能判断高低电平即可。K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1” 。K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0” 。VOKVccR V V2022-5-314 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成

3、这种电子开关的基本开关元件。2022-5-315 (1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。 闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。 (2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0 理想开关的开关特性： 2022-5-316客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。2022-5-31

4、7静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合 图2-1 二极管的伏安特性曲线)1e(TsVvIi2022-5-318反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开图2-1 二极管的伏安特性曲线2022-5-319图2-2 二极管的开关等效电路(a) 导通时 (b) 截止时图2-1 二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线2022-5-3110高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 lVI=VIH D截止，VO=VOH=VCClVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V二极管开关特性应用二极管开关特性应用 20

5、22-5-31112. 动态特性：若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时间。一般为纳秒数量级（通常tre 5ns ）。2022-5-31121. 静态特性及开关等效电路在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。图2-3三极管的三种工作状态（a）电路 （b）输出特性曲线2022-5-3113开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏,集电结反偏特点：电流约为0A20

6、22-5-3114(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅2022-5-3115图2-4三极管开关等效电路(a) 截止时 (b) 饱和时2022-5-3116三三极管的开关特性极管的开关特性 NPN型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点工作状态截 止放 大饱 和条 件iB00iBIBSiBIBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集电极电流iC0iCiBiCICSce间电压uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合2022-5-3117

7、2. 三极管的开关时间（动态特性）图2-5 三极管的开关时间 开启时间ton 上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts2022-5-3118(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf ：下降时间toff ton 。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。2022-5-31194、场效应管的开关特性 iD(mA) 0uDS(V)0 UT uGS(V)iD(mA)

8、uGS=10V8V6V4V2V工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线GDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态vIUT uo0可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区GSGS(th)VV截止区截止区漏极和源极之间漏极和源极之间没有导电沟道，没有导电沟道，iD0。可变电阻区可变电阻区当当vGS一定时，一定时，iD与与vDS之比之比近似等于一个常数，具有类近似等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质。似于线性电阻的性质。恒流区恒流区iD的大小基本上由的大小基本上由vGS决定，决定，vDS的变化对的变化对iD的影响很小。的影响很小。2022-5-3120门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子

9、电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。2022-5-3121电路工作原理A、B为输入信号 （+3V或0V）Y 为输出信号 VCC+12V表2-1电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V2022-5-3122用逻辑1 1表示高电平

10、（此例为+3V+3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.7V0.7V）ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3. 逻辑赋值并规定高低电平4. 真值表ABY000010100111表2-2 二极管与门的真值表A A、B B全1，Y Y才为1。可见实现了与逻辑2022-5-3123逻辑符号工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）逻辑表达式YA B图2-6 二极管与门（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形2022-5-3124电路工作原理电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）Y为输出信

11、号 2022-5-31254. 真值表ABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可见实现了或逻辑3. 逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+2.3V+2.3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0V0V）ABY000011101111A A、B B有1，Y Y就1。表2-2 二极管或门的真值表2022-5-3126图2-7 二极管或门（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形逻辑符号工作波形逻辑表达式YA+ B2022-5-3127 电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。 高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。 例：上面二极管与门电路中规定

12、高电平为3V，低电平0.7V。 又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。关于高低电平的概念 2022-5-31282. 逻辑状态赋值 在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。 经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。2022-5-3129图2-8 非门(a) 电路 （b）逻辑符号电路工作原理A、B为输入信号 （+3.6V或0.3V）Y为输出信号 AY0.3V+VCC3.6V0.3V2022-5-31303. 逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1

13、1表示高电平（此例为+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V0.3V）4. 真值表AY0.3V+VCC3.6V0.3VAY0110表2-4 三极管非门的真值表A与Y相反可见实现了非逻辑Y=A2022-5-31312022-5-3132什么是高电平？什么是低电平？什么是状态赋值？什么是正逻辑？什么是负逻辑？二极管与门、或门有何优点和缺点？2022-5-3133MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。(metal-oxide-semiconductor) MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速

14、的发展。2022-5-31341MOS管的开关特性 MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。(complementary-symmetery metal-oxide-semiconductor)MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。2022-5-3135一、MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理PNNGSD金属铝金属铝两个两个N区区SiO2绝缘层绝缘层P型衬底型衬底导电沟道导电沟道源极源极栅极栅极漏极漏极2022-5-3136图2-24 NMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电

15、路符号 （b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小 （1）NMOS管的开关特性 V VGH(th)GH(th)2022-5-3137图2-25 PMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性D接负电源 （2）PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止2022-5-3138(3)等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态2022-5-3139(4)MOS管的四种类型l增强型l耗尽型大量正离子导电沟道2022-5-3140图2-26 CMOS反相器 PMOS管负载管NMOS管驱动管 开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。 2CMOS反相器的工作原理 （1）基本电路结构2

16、022-5-3141 （2）工作原理图2-26 CMOS反相器 UIL=0V截止导通UOHVDD当uI= UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，uO =UOHVDD 2022-5-3142图2-26 CMOS反相器 UIH= VDD截止UOL 0V当uI =UIH = VDD ，VTN导通，VTP截止， uO =UOL0V导通2022-5-3143 （3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。 （4）工作特点VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。2022-5-3144图2-27

17、CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性 3 电压传输特性和电流传输特性AB段：截止区i iD D为0BC段：转折区阈值电压UTHVDD/2转折区中点：电流最大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。CD段：导通区2022-5-3145(max)(max)OLILNLVVV输入低电平时噪声容限：输入低电平时噪声容限： 在保证输出高、低电在保证输出高、低电平基本不变的条件下平基本不变的条件下,输入输入电平的允许波动范围称为电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。输入端噪声容限。(min)(min)IHOHNHVVV输入高电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限：4、输入端噪声容限、输入端噪

18、声容限 2022-5-3146噪声容限衡量门电路的噪声容限衡量门电路的抗干扰能力。抗干扰能力。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。 测试表明：测试表明：CMOS电路噪声容限电路噪声容限VNH=VNL30VDD，且随，且随VDD的增加而的增加而加大。加大。2022-5-3147l结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限2022-5-3148 因为因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。取保护措施。一74HC

19、74HC系列系列40004000系列系列2022-5-3149OLGSOLOLOLVVIIfV下，同样的低电平输出特性)(. 1灌电流灌电流2022-5-3150越少下，同样的高电平输出特性OHGSOHOHOHVVIIfV)(. 1拉电流拉电流2022-5-3151一、传输延迟时间一、传输延迟时间 tviotvoo50%50%tpHLtpLH平均传输时间平均传输时间)(21pHLpLHpdttt2022-5-3152功耗相比，可以忽略静态功耗极小，与动态)(1,. 12143ttttTTTAVTAVDDTdtidtiTIIVP其中导通功耗噪声电压噪声电压持续时间持续时间 噪声电压作用时间越短、

20、电源电噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。压越高，交流噪声容限越大。2022-5-31532212DDLCNLIPLDDICfVCPiTCViCTVVP可得平均功耗放电，有经当充电，有向经当负载电容充放电功耗,.CTDPPP总的动态功耗. 3 反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。2022-5-3154 负载管串联（串联开关）1 CMOS或非门 驱动管并联（并联开关）图2-28 CMOS或非门 A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出为低电平

21、。 10截止导通2022-5-3155 该电路具有或非逻辑功能,即Y=(A+B) 当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。00截止导通12022-5-31562.与非门与非门)(BAY2022-5-3157任一输入端为任一输入端为0，设，设vA=0vA=0截止截止 导通导通 vO=12022-5-3158输入全为输入全为1vA=1vB=1导通导通 截止截止 vO=02022-5-3159与非门（存在的问题）值不同对应的达到开启电压时，的、使也更高越高，输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：IGSOHOLONONOONO

22、NOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR4231314232011021002111)()(,/,:)(2022-5-3160带缓冲级的CMOS门解决方法与非门缓冲器或非门2022-5-31613.漏极开路的门电路（OD门Open- Drain Output）)(,. 2. 1211DDDDDDLVVVR可以不等于使用时允许外接器或用作电平转换、驱动现线与可将输出并联使用，实2022-5-3162Y=YY=Y1 1Y Y2 2为什么需要为什么需要ODOD门？门？普通与非门输出不能直接连在一起普通与非门输出不能直接连在一起实现实现“线与线与”！

23、ABYCD2022-5-3163RL的选择：的选择：(max)LIHOHOHDDLRmInIVVROHLIHOHDDVRmInIV)(n是并联是并联OD门的数目，门的数目，m是负载门电路高电平输入电流的数目是负载门电路高电平输入电流的数目。IOHIIHVDDVILVILVILRLVOHn个m个2022-5-3164(max)/ )(OLILLOLDDIImRVV(min)(max)|LILOLOLDDLRImIVVR m是负载门电路低电平输入电流的数目。在负载门为是负载门电路低电平输入电流的数目。在负载门为CMOS门电路的情况下，门电路的情况下，m和和m相等。相等。(min)(max)LLLR

24、RRVIHVILVILVDDRLVOLIOLIILm个2022-5-3165 （1）电路结构C和C是一对互补的控制信号。由于T1和T2在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。4 CMOS传输门 图2-30 CMOS传输门（a）电路 （b）逻辑符号2022-5-3166若 C =1（接VDD )、C =0（接地），当0vI(VDD|UT|)时，T1导通；当|UT|vIVDD 时，T2导通；vI在0VDD之间变化时，T1和T2至少有一管导通，使传输门TG导通。 （2） 工作原理（了解）若 C = 0（接地)、 C = 1（接VDD ），vI在0VDD 之间变化时，T1和T2均截

25、止，即传输门TG截止。2022-5-3167 （3） 应用举例 图2-31 CMOS模拟开关 CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。 C = 0时，TG1导通、TG2截止，uO = uI1； C = 1时，TG1截止、TG2导通，uO = uI2。2022-5-3168图2-32 CMOS三态门(a)电路 (b) 逻辑符号 当EN= 0时，TG导通，Y=A； 当EN=1时，TG截止，Y为高阻输出。 CMOS三态门2022-5-31692022-5-31705. CMOS电路的优点 （1）微功耗。 CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。 （2）抗干扰能力很强。 输入噪声容限可达到VDD/

26、2。 （3）电源电压范围宽。 多数CMOS电路可在318V的电源电压范围 内正常工作。 （4）输入阻抗高。 （5）负载能力强。 CMOS电路可以带50个同类门以上。 （6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD ）2022-5-3171 2022-5-3172TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路(Transistor-Transistor Logic)简称TTL电路。TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。2022-5-31731. 电路组成图2-9 TTL反相器的基本电路

27、 2022-5-3174(1) 输入级当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导通， uB1=1.0V当输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。NNP2022-5-3175(2) 中间级反相器T2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电 压时饱和输入低电压时截止2022-5-3176(3) 输出级（推拉式输出） T4为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通2022-5-31772. 工作原理（1）当输入高电平时， uI=3.6V，T1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，uB1=0.7V3=2.1V，T1

28、、T2和T5全部导通，输出为低电平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V2022-5-3178（2） 当输入低电平时， uI=0.3V，T1发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V，T2和T5均截止，T4和D2导通。输出高电平uO =VCC U UR2R2- -UBE4-UD25V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V2022-5-3179 (3) 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力 T4组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。 当输入高电平时，T5饱和，uB4=uC2=0.3V+0.7V=1V，T4和D2截止，T5的集电极电流可以全部用来驱动负载。

29、 当输入低电平时，T5截止，T4导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何，T4和T5总是一管导通而另一管截止。 这种推拉式工作方式，带负载能力很强。 2022-5-3180电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。图2-10 TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区饱和区T2、 T5截止，T4导通导通T5饱和，称开门T4截止，T2导通导通T2、 T5导通导通，T4截止2022-5-31812. 结合电压传输特性介绍几个参数 (1) 输出高电平UOH 典型值为3V。(2) 输出低电平UOL 典型值为0.3V。2022-5-3182(3) 开门电

30、平UON一般要求UON1.8V(4) 关门电平UOFF一般要求UOFF0.8V 在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON2022-5-3183(5) 阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（threshold又称门槛电平）。通常UTH1.4V。 (6) 噪声容限（ UNL和UNH ） 噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。 UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。2022-5-3184UOFF

31、UNLUILUONUNHUIH2022-5-3185 低电平噪声容限（低电平正向干扰范围） UNL=UOFF-UIL UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V） 若UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V) 高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）UNH = UIH - UON UIH为电路输入高电平的典型值（3V） 若UON=1.8V，则有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V)2022-5-31861. 输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。图2-11 TTL反相器的输入伏安特性输入伏安特性曲线输入短路电输入短路电流流IIS(IIL)高电平输入电流高电平输入电流

32、IIH2022-5-3187图2-12 输入负载特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线 TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。2. 输入负载特性2022-5-3188在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1 = 2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI = 1.4V也不变。这时T2和T5饱和导通，输出为低电平。2022-5-3189RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。RI 较小时，关门，输出高电平；RI 较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI 悬空时？2022-5-3190(1) 关门电阻ROF

33、F 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。 (2) 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 2k。 数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。2022-5-31913. 输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。(1) 输出高电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。图2-13 输出高电平时的输出特性（a）电路 （b）特性曲线

34、拉电流负载2022-5-3192图2-14输出低电平时的输出特性（a）电路 （b）特性曲线(2) 输出低电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。 灌电流负载2022-5-31931. 平均传输延迟时间tpd 平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。 tpd = （tpLH +tpHL）/2 图2-15 TTL反相器的平均延迟时间 2022-5-31942 TTL门电路主要参数的典型数据表2-5 74系列TTL门电路主要参数的典型数据参 数 名 称典 型 数 据 导通电源电流

35、ICCL 10 mA 截止电源电流 ICCH 5 mA 输出高电平 UOH 3 V 输出低电平 UOL 0.35 V 输入短路电流 IIS 2.2 mA 输入漏电流 IIH 70A 开门电平 UON 1.8 V 关门电平 UOFF 0.8 V 平均传输时间 tpd 30 ns2022-5-3195 2022-5-3196TTL反相器的电压传输特性有哪几个区？TTL反相器主要有哪些特性？TTL反相器的主要参数有哪些？2022-5-3197每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。图2-16 多发射极三极管 1TTL与非门的电路结构及工作原理 有0.3V箝位于1.0

36、V全为3.6V集电结导通2022-5-3198图2-17二输入TTL与非门电路(a)电路 (b) 逻辑符号全1输出0有0输出11V2.1V2022-5-3199 TTL集成门电路的封装：集成门电路的封装： 双列直插式双列直插式 如：如：TTLTTL门电路芯片（门电路芯片（四四2 2输入与非门输入与非门，型号型号7474LS00 LS00 ) )地地GNDGND外外 形形管脚管脚 电源电源V VCCCC（+5V+5V）2022-5-3110074LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。2022-5-31101两方框中电路相同两方框中电路相同A为高电平时，T2、T5同时导通

37、，T4截止，输出Y为低电平。B为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。A、B都为低电都为低电平时平时，T2、T2同时截止，T5截止，T4导通，输出Y为高电平。)(BAY2.或非门或非门2022-5-31102或非门或非门与或非门与或非门2022-5-31103)(DCBAY3.与与或或非非门门2022-5-311044.异或门异或门若A、B同时为高电平，T6、T9导通，T8截止，输出低电平；A、B同时为低电平，T4、T5同时截止，使T7、T9导通，T8截止，输出也为低电平。A、B不同时，T1正向饱和导通，T6截止；T4、T5中必有一个导通，从而使T7截止。T6、T7同时截止，

38、使得T8导通，T9截止，输出为高电平。2022-5-3110574LS86异或门异或门2022-5-31106为何要采用集电极开路门呢？首先，若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，而且电流的数值远远超过正常的工作电流，而且，输出端也，不能实现应有的逻辑功能。 2022-5-31107图2-18推拉式输出级并联的情况01很大的电流不高不低的电平：1/0?2022-5-31108 其次，在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定（通常规定为5V），输出的高电平也就固定了（不可能高于电源电压5V），因而无法满足对不同输出高电平的需要。 集电极开路

39、门（简称OC门）就是为克服以上局限性而设计的一种TTL门电路。 2022-5-31109 (1)电路结构：输出级是集电极开路的。 1集电极开路门的电路结构 (2)逻辑符号：用“”表示集电极开路。图2-19 集电极开路的TTL与非门（a）电路 （b）逻辑符号集电极开路2022-5-31110(3)工作原理：当T5饱和，输出低电平UOL0.3V；当T5截止，由外接电源E通过外接上拉电阻提供高电平UOHE。因此， OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。2022-5-31111(1) OC门的输出端并联，实现线与功能。 RL为外接负载电阻。图2-20 OC门的输出端并联实现线与功能

40、 Y1Y2Y000010100111)()()(21CDABCDABYYY2022-5-31112图2-21用OC门实现电平转换的电路 （2）用OC门实现电平转换2022-5-31113三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。何为高阻状态？悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为，故称为高阻状态。测电压为0V，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为0A。2022-5-31114(1)电路结构：增加了控制输入端（Enable）。 1三态门的电路结构(2)工作原理：01截止Y(AB) EN= 0时，时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。2022-5-3111510

41、导通0.7V0.7V截止截止高阻当EN = 1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。2022-5-31116(2)逻辑符号低电平有效用“”表示输出为三态。高电平有效2022-5-311172三态门的主要应用实现总线传输要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。图2-23 用三态门实现总线传输 如有8个门，则8个EN端的波形应依次为高电平，如下页所示。2022-5-311182022-5-311192022-5-31120 1输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生

42、感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点： 2022-5-31121 （1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。 （2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。2022-5-311221多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：（1）与其它输入端并联使用。 （2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源

43、，将或门、或非门的多余输入端接地。2022-5-31123 (1) 在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。 (2) 整机装置应有良好的接地系统。2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。2022-5-31124BABABAY 要实现要实现Y=AY=A，输入端，输入端B B应如何连接？应如何连接？BABABAY B=0B=0时可实现时可实现Y=AY=A，B B端应接低电平端应接低电平( (接地）。接地）。要实现要实现Y=AY=A ，输入端，输入端B B应如何连接？应如何连接？B=1B=1时可

44、实现时可实现Y=AY=A ，B B端应接高电平（接电源）。端应接高电平（接电源）。2022-5-31125CMOS电路电路与与TTL电路比较：电路比较：（1）CMOS电路的工作速度比电路的工作速度比TTL电路的低。电路的低。（2）CMOS带负载的能力比带负载的能力比TTL电路强。电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在电路的电源电压允许范围较大，约在 318V，抗干扰能力比，抗干扰能力比TTL电路强。电路强。（4）CMOS电路的功耗比电路的功耗比TTL电路小得多。门电电路小得多。门电路的功耗只有几个路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也，中规模集成电路的功耗也不会超过不会超过

45、100W。2022-5-31126（5）CMOS集成电路的集成度比集成电路的集成度比TTL电路高。电路高。（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和电路容易受静电感应而击穿，在使用和 存放时应注意静电屏蔽，焊接时烙铁应接地存放时应注意静电屏蔽，焊接时烙铁应接地 良好，尤其是良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不电路多余不用的输入端不 能悬空，应根据需要接地或接高电平。能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS电路电路与与TTL电路比较：电路比较：2022-5-31127 TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为

46、负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。2022-5-311281. TTL门驱动CMOS门门 （1）电平不匹配TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V； CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。可见，TTL门的UOH不符合要求。 （2）电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。2022-5-31129 （3）解决电平匹配问题 图2-33 TTL门驱动CMOS门 外接上拉电阻RP在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时） 2022-5-31130选用电平转换电路(如CC40109)若电源电压不一致时可选用电平转换电路。 CMOS电路的电源电压可选318V； 而TTL电路的电源电压只能为5V。 采用TTL的OC门实现电平转换。若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。2022-5-311312. CMOS门驱动TTL门（1）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V； TTL门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。 电平匹配是符合要求的。（2）电流不匹配 CMO